典型游离相天然气成藏机理研究

典型游离相天然气成藏机理研究

关于油气泵和成藏机，地质学家通常同意使用传统的油气藏模型，如油气船运输高速通道的关闭和泥板覆盖等。相反，另一种新的机械模型（深盆油气藏）。自从深盆气概念被正式提出并在北美有了新的发现以来,有关深盆气的成藏机理问题日益受到了地质研究者的广泛关注。作为一种新的油气成藏机理类型,深盆气藏目前几乎成了“巨大天然气资源量”的代名词,但目前对其成藏的机理研究仍然处于探讨过程。对这一问题的合理解释将有助于拓展对多种油气藏赋存和分布规律的认识空间。从油气成藏的系统论观点考察,深盆气藏与常规圈闭气藏在成藏机理模式上既有相同之处又有严格区别。1深盆气成藏机理从表现特征看,除了与毛细管圈闭机理相差较大的煤层气藏、水溶气藏、水合甲烷气藏等其他非常规类型以外,已发现的绝大部分游离相天然气藏均可被分为常规圈闭气藏和深盆气藏两种基本类型(进一步又可细分为介于两者之间的其他类型)。就常规圈闭气藏来说,天然气聚集于孔渗条件较好的构造高部位,且其聚集位置与气源岩明显分开,天然气与地层水的分布服从重力分异原理(图1)。但在深盆气藏,天然气主要分布于构造低部位的致密砂岩储层中,天然气聚集与气源岩的分布关系紧密相连。虽然天然气在其中的聚集仍然以毛细管压力封闭为主要控制和影响因素,但其中流体在剖面上却表现为不服从重力分异原理的气、水倒置关系。典型深盆气成藏过程中的天然气运移、聚集和保存均与典型常规天然气藏截然不同。与常规圈闭天然气成藏机理相呼应,深盆气成藏机理类型和气藏模式代表了油气成藏的另一个基本端元,两者分别代表了油气成藏机理在分类学上具有较大研究价值的两种类型。根据运移、聚集和保存机理研究,除特殊类型以外的其他所有以毛细管压力为主要封闭条件并以游离相流体形式存在的油气,在成藏机理类型上均将介于两者之间,构成油气在成藏机理类型上的递变过渡模式。2两种典型的天然气储存机制2.1置换式与活塞式天然气运移方式的区分从注水玻璃管实验分析可知,当均匀等径的玻璃管半径介于一定范围时,从底部注入的气体将导致水液面上升。当水液面上升到一定高度时停止注气,则注入气体以气泡或气柱形式不断向上运动。在气泡或气柱的运动过程中,玻璃管中水液面的高度不再发生变化,直至气泡或气柱溢出水面后,水液面恢复到注气前的原始状态,故气泡或气柱在水中的运动属于势能降低求稳意义上的气水位置交换。当均匀等径的玻璃管或毛细管半径小于一定临界时,从底部注入的气体将以气、水倒置方式稳定存在,注入的气体高度等同于水液面的上升高度,气体在其中的运动过程表现为气、水同步的活塞式整体推进。因此,气、水的运动具有两种典型方式,即活塞式气、水排驱模式与置换式气、水排驱模式。上述观察结论在注砂实验中同样成立。在孔隙介质条件下,从底部注入的天然气运动同样具有上述两种方式。由于砂粒的孔隙结构具有不规则性,气体在其中对孔隙水的排驱压力具有各个方向上的随机性。尤其是当孔隙的平均喉道半径较大或储层物性的非均质性较强时,天然气在其中的运动主要以置换方式进行,但所需时间比在玻璃管观察过程长,与孔隙水在其中的渗透率变化关系较大;反之,当储层的平均喉道半径较小或储层物性的各向均质性较强时,从底部注入的天然气对其中孔隙水的排驱压力在各个方向上近似均等,从而导致对孔隙水的整体性全面驱替,天然气在其中的运移过程表现为活塞式特征。根据实验观察,置换式和活塞式天然气运移方式分别代表了典型常规圈闭气和深盆气在成藏过程中的天然气运移方式。对于任意物性和均质性的储层来说,天然气在其中的运移都将服从上述两种方式中的一种。由于实际存在的储层均为较小的孔渗物性条件,若单纯从时间因素考虑,由气源岩中排出的天然气将首先以活塞方式向前推进,但在气水推进的过程中随时都有可能发生推进方式的改变,如储层均质性条件的改变、地层水向气柱底部渗流量随时间增长而造成的积累效应等,这些均是促使天然气运移方式由活塞式向置换式方向转变的重要因素。由于转变效果各不相同,天然气在成藏过程中的运移方式也就千变万化(图2)。2.2天然气运移的自然原理对前述实验结果分析表明,在储层孔隙中按典型活塞式和置换式运移的天然气将分别从气源岩的边缘处和常规圈闭的盖层处开始聚集成藏,分别形成向上逐渐推进的生长式深盆气藏和向下逐渐发展的悬浮式常规圈闭气藏。典型深盆气藏与常规圈闭气藏之间差异的产生主要取决于天然气在储层孔隙中的运移方式,即对地层水作为连续性介质的假设条件变化。当储层物性致密且其均质性程度较好时,天然气在其中对地层水发生活塞式排驱作用,产生并维持倒置状的气、水分布关系,即形成所谓深盆气藏的下气上水分布状况,其规模体积的扩大方式为生长方式,成藏时期的深盆气藏具有高势能特征。在储层的平均孔喉半径较大且其非均质性程度较强时,尤其是在断裂或裂缝大量发育和存在的情况下,天然气将在等压推进原理作用下优先选择渗透性较好的路径进行气、水排驱,从而形成油气运移高速通道。当天然气运移的高速通道发生终止或遇到强大毛细管压力的严密阻隔而形成封闭时,天然气的运移过程停止并在圈闭内开始聚集成藏。因为其初始位置是从圈闭的构造顶部位开始并向下逐渐推进,所以天然气的聚集过程具有悬浮式特征。与深盆气藏相比,常规圈闭气藏分布于流体势能降低的方向。2.3天然气成藏模式及与类型若不考虑天然气的扩散运移过程,则天然气藏的保存过程同样具有两种基本形式。一种是在严密盖层封闭条件下相对静态存在的常规圈闭天然气藏,一旦当天然气的充注量达到圈闭溢出点,或天然气向圈闭中的充注过程结束时,天然气在其中的存在比较稳定;另一种是在典型深盆气成藏条件下,在储层本身弱毛细管封闭压力条件下形成的“动态性”天然气封闭,天然气藏存在的外部界限为一非稳定边界。在深盆气的成藏及保存过程中,气藏顶部边界的位置具有变化特点,其升降变化受源岩的生供气过程和气、水界面处致密储层的毛细管压力等因素的影响,故典型深盆气藏是一种不稳定性特征较为明显的气藏类型。在深盆气存在过程中,当天然气的运移动力能够克服其运移阻力时,天然气藏的存在状态表现为相对的动态过程。但随着气源补充条件的改变、时间的延长以及地层流体势能传导的平衡作用变化,天然气的运移动力逐渐变得与其最大运移阻力相互平衡。在不考虑扩散运移方式的情况下,此时的深盆气藏进入相对静止的稳定保存状态。在上述过程中,随着天然气藏由相对动态平衡向相对静态平衡的转化,天然气藏规模逐渐趋于减小,逐渐达到监界稳定状态时的最大规模范围(最大临界气柱高度),深盆气藏圈闭以外储层中运移的天然气更逐渐趋于消失,最后完全分化为在动力平衡条件下稳定存在的典型性深盆气藏。从成藏顺序分析,如果与烃源岩紧邻的储层条件较为致密,且油气成藏条件恰好介于深盆气与常规圈闭气藏的临界,则深盆气藏首先形成。不同地质演化阶段所表现出来的天然气藏类型特征将与地层流体势能的传导条件和传导结果有关,通常体现为气源岩的生、供气速率、时间、致密储层的物性及其均质性条件的函数。多种地质因素综合作用的结果将产生出从极不稳定到较为稳定的连续过渡的多种气藏保存递变模式,若将上述两种状态分别描述为典型深盆气藏和典型常规圈闭气藏特征,则其间所存在的大量过渡模式就对应于北美地质学家所研究的致密砂岩气藏。由于其成藏地质条件多变,实际存在的天然气藏也就多种多样(图3)。天然气在储层孔隙中的运移包含了典型的活塞式和置换式两种类型,但由于储层物性的非均质性、天然气活塞式运移的不稳定性以及时间变化等因素干扰,天然气运移动力平衡的微小扰动及其效应累加常使其运移方式和存在形式发生根本性改变,多种因素的共同作用将有可能导致已经形成深盆气藏的弱化甚至消失。由于地下条件的储层物性特征及其非均质性变化广泛,地层水作为连续或非连续性介质的假设条件也将发生多种变化,可由完全的连续性渐变为完全的不连续性。这主要是受地层渗透率和时间等因素影响,地层流体势能的传导条件随之发生相应变化。从这一意义上分析,所有毛细管封闭的游离相天然气成藏模式均属于典型深盆气藏与典型常规气藏之间的过渡类型。3天然气运移动力与成藏阻力的关系对天然气运移、聚集和保存两种方式的力学分析表明,当天然气以置换方式进行运移、以悬浮方式进行聚集并以相对静态稳定方式进行保存(典型常规圈闭成藏)时,其受力状态主要为天然气浮力、自身重力和盖层毛细管压力之间的动力过程和物质平衡问题。当作为运移动力的浮力(从单位面积上考虑,其值与气柱高度为正比关系)能够克服其他两种运移阻力时,天然气选择优势通道向上运移,否则就保持稳定。在天然气运移动力与成藏阻力达到临界平衡条件时,单位面积上天然气的气柱高度可以达到最大,其值仅与天然气密度有关,而与气藏埋深没有直接关系;当天然气以活塞方式进行运移、以生长方式进行聚集并以相对不稳定方式进行保存(典型深盆气成藏)时,服从深盆气成藏条件下的动力平衡和物质平衡1由于其受力过程较为复杂,其中重点须考虑气源岩的生烃膨胀力并排除天然气的浮力影响。4天然气成藏机理(1)由于成藏条件的变化,以毛细管压力封闭的游离相天然气成藏机理具有典型深盆气藏和典型常规圈闭气藏两种模式,它们分别在天然气成藏的运移、聚集和保存过程中具有各自典型的机理特征。(2)由于天然气成藏的地质条件千变万化,尤其当储层致密时,受毛细管压力封闭的游离相天然气成藏过程将表现为两种典型机理之间的递变过渡特征,形成具有过渡意义的致密砂岩气藏。